基于PC-SERCOS的开放式数控系统关键技术

发布时间：2018-04-04 22:31

本文选题：开放式数控系统　切入点：SERCOS接口　出处：《哈尔滨理工大学》2017年博士论文

【摘要】：在《中国制造2025》中,智能制造被定为中国制造的主攻方向。制造的智能化离不开相关智能算法的开发以及数控系统的支持。传统的数控系统因其结构相对封闭不利于用户根据自己的需要或者加工的需要对系统进行更改或者升级,大大制约了智能制造领域的发展。所以,数控系统的开放性对于智能制造的进步起着至关重要的作用。同时,开发我国自主产权的开放式数控系统也是缩短我国制造业水平与世界先进水平距离的有效途径。在此背景下,本文针对于实现开放式数控系统的关键技术进行了深入的研究。对于具有高实时、高性能要求的开放式数控系统,运动控制接口作为最核心的接口应该具备高度实时以及高精度同步的特性。基于此通过分析开放式数控系统的软硬件结构,本文选用SERCOS接口作为运动控制接口并采用PC机、通用Windows操作系统以及RTX实时扩展系统搭建数控系统的软硬件平台。同时,按照SERCOS协议的要求,摒弃了以往需要其他商用软件进行I/O设备间的高速串行通讯,建立了符合SERCOS标准的SERCOS服务通道与命令通道,使得整个系统在进行工作的过程中,可以按照用户的需要进行数据流提取,为智能制造加工算法分析提供了数据支持并提高了整个系统的开放性。针对高速高精加工中传统的NURBS算法沿曲线方向进行单一插补时,曲线的弧长与参数之间无精确的解析关系、进给速度又总是受到非线性变化的曲线曲率约束,导致基于S型加减速进行NURBS插补时,曲线长度的实时计算以及对减速点的预测十分困难,无法获得曲线余下部分的速度约束信息,而且在进行实时插补的过程中可能出现计算负荷过大、导致数据饥饿的现象,降低了系统的实时性能。针对以上问题,本系统采用基于S形加减速的寻回实时插补算法。该算法不依赖于曲线弧长的精确计算,采用正向与反向同步插补的方法。首先,在前瞻插补模块中先对曲线进行逆向插补,确定正反向插补的校验点,以及正向插补所需的相关信息;然后,在实时插补模块中,通过对比校验点的速度,判断是调用逆向插补的数据还是继续进行正向插补,从而实现满足速度约束条件的最优插补。该算法无需求解高次方程并可以保证以确定的速度通过曲率极值点和曲线终点,很好的保证了插补过程中的实时性。通过插补实例证明了算法简单高效、适应性以及实时性好,能够满足高速高精度数控加工的要求。后处理器是将刀位数据(CL数据)转化成数字控制数据的重要接口。由于五轴机床结构的多样性以及数控系统间的独立性导致五轴机床的数据补偿变得十分复杂。本文建立了一个基于刀具半径优化补偿的五轴通用后处理器。基于刀具磨损模型,通过探究五轴端铣加工中常用刀具的半径补偿向量,提出一种半径的优化补偿方法。同时,应用所建立的五轴机床通用模型使得所开发的后处理器可以广泛适用于各类五轴机床。通过仿真实验与加工实验,验证了所建立的后处理器的准确性与实用性并且可以有效的提高加工质量和减少总的加工时间和花费。采用面向对象技术及模块化的思想,为开放式数控系统建立了用于数据存储的数据处理模块以及用于对数据进行加工分析的智能算法模块。为了防止多个线程同时访问同一共享资源,使数据的读写和进程间有序的执行,对数据处理模块和智能算法模块进行了多线程设计。考虑到在进行实验的过程中用户可以根据实验的预期效果动态的调整程序,这样做将大大减少开发周期、方便数据的查看与修改,本文采用IDB文件建立HMI模块与数据处理模块间的通讯。对于翻译型编译原理的软PLC会降低数控系统的开放性与灵活性的问题,本文基于解释型编译原理,利用逐行扫描,关键字匹配的方法开发了能够对指令表程序进行逐行拾取和循环执行的解释型运行系统。最后通过实例验证了解释型软PLC功能的可靠性,达到了控制开放式数控系统逻辑指令功能的目的。
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【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG659

【参考文献】